Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Prepare-se para as provas
Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Prepare-se para as provas com trabalhos de outros alunos como você, aqui na Docsity
Encontra documentos específicos para os exames da tua universidade
Prepare-se com as videoaulas e exercícios resolvidos criados a partir da grade da sua Universidade
Responda perguntas de provas passadas e avalie sua preparação.
Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
PROCESSO DE FABRICAÇÂO
Tipologia: Notas de estudo
1 / 29
Esta página não é visível na pré-visualização
Não perca as partes importantes!
Prof. Eng. Mec. Norberto Moro Téc. Mec. André Paegle Auras
www.norbertocefetsc.pro.br
FLORIANÓPOLIS - 2007
É comum comparar-se as siderúrgicas a cozinhas gigantes. A imagem procede – como na preparação de um prato, a fabricação do aço requer a mistura dos ingredientes em um forno, do qual se retira um produto que é a composição dos itens iniciais. A diferença principal entre os procedimentos está na ordem de grandeza da temperatura de “cozimento”. Equanto o forno doméstico se limita a poucas centenas de graus Celsius, os alto-fornos das siderúrgicas rompem a fronteira dos milhares.
O aço é, basicamente, uma liga de ferro com carbono. Para preparar o aço, são três os componentes básicos: minério de ferro, coque e calcário (carbonato de cálcio). O coque é o resíduo resultante do aquecimento do carvão em um equipamento chamado câmara de coqueificação, na ausência de oxigênio. Os componentes mais voláteis do carvão (compostos orgânicos – formados por cadeias de carbono – de peso molecular variável) evaporam e sofrem decomposição térmica, separando-se da matéria original. O sólido que resta é o coque.
No alto-forno, o coque tem duas funções importantes: é o combustível (libera energia ao reagir com oxigênio) e “captura” o oxigênio que está associado ao ferro no minério. Assim, obtém-se o ferro livre de oxigênio. Ao se fornecer o aquecimento ao alto-forno, o carbono do coque reage com o oxigênio, gerando monóxido de carbono e intenso calor. Este monóxido então, reage com o oxigênio do minério de ferro. O resultado é o dióxido de carbono, também conhecido como gás carbônico.
O calcário serve para facilitar a separação entre o ferro fundido e a escória (componentes do minério de ferro que não interessam para a fabricação do aço). Aquecido, o calcário se decompõe em cal e dióxido de carbono. A cal se incorpora à escória (óxidos de silício e alumínio) e abaixa a temperatura na qual a escória se funde. Ela sai do forno líquida e por cima do ferro fundido, do qual é separada. Excessos de enxofre no carvão também são retirados, em boa parte, pela reação com a cal (forma-se sulfeto de cálcio).
O ferro que sai do alto-forno, ainda impuro e com teor de carbono alto, é chamado de ferro gusa. Esse ferro contém manganês, silício, enxofre e outros contaminantes. Alguns são até desejáveis em certos tipos de aço, mas no gusa estão em proporções descontroladas. O processo de refino mais usado hoje é o de oxigênio básico, ou LD (Lintz-Donavitz, austríacos que o criaram na década de 1950). Um carro-torpedo recolhe periodicamente o gusa do alto- forno e o leva a um equipamento chamado conversor, onde a temperatura média é 1.600°C. Um sopro de oxigênio puro é injetado para dentro do conversor, através de um tubo de aço.
Controlando rigidamente a quantidade de oxigênio, fixa-se o teor de impurezas que se pretende eliminar. Os contaminantes reagem com o oxigênio e formam compostos voláteis. As reações que acontecem dentro do conversor
liberam muita energia. Por isso, o processo se auto-sustenta – é desnecessário “alimentá-lo” com energia externa.
O processo do oxigênio básico é um aperfeiçoamento do refino desenvolvido pelo engenheiro inglês Henry Bessemer (1812-1898). A diferença fundamental é que Bessemer trabalhava com fluxos de ar, não de oxigênio puro. Isso fazia aumentar a quantidade de nitrogênio do aço, o que o tornava quebradiço. Bessemer sabia que o uso de ar comprometia seu método, mas rendia-se às limitações tecnológicas de sua época – era impossível obter oxigênio com alta grau de pureza em 1856.
O aço líquido é vazado em moldes, nos quais esfria e se solidifica. Daí resultam os lingotes, de massa variável. O lingote irá para processos de conformação mecânica, como forjamento ou laminação, para formar perfis planos (chapas) e não planos (trilhos, tubos, perfis, etc.).
O conversor produz o aço comum e alguns tipos de aço baixa liga; é um processo rápido (± 20 minutos) e de alta produção. Mas quando há necessidade de um aço com características especiais, como por exemplo resistência ao calor, corrosão, impacto e etc., o processo para sua obtenção é feito em fornos elétricos que atingem temperaturas de até 3.500°C. Isso significa eliminação de uma maior quantidade de impurezas, principalmente o “S” (enxofre). O processo é mais lento, porém isso é necessário para os elementos de liga adicionados reagirem com o Fe-C, dando origem a um aço especial, também chamado de aço liga com elevada resistência mecânica.
Material Contração Aços 1,5 a 2,0% Ferro fundido cinzento 0,8% Ferro fundido dúctil 0,8 a 1,0% Alumínio 355 e 356 1,5% Alumínio 13 1,0% Cobre-Cromo 2,0% Bronze ao Estanho 1,0% Bronze ao Silício 1,0% Bronze ao Manganês 1,5% Bronze Alumínio 1,5%
(^3) Material que pode resistir às altas temperaturas dos metais líquidos. São usadas nas paredes
de fornos e moldes de fundição, e são geralmente cerâmicas, como dolomita, magnesita e silica. 4 Canais de alimentação são os canais ou condutos por onde o metal líquido passa para chegar ao molde. 5 Massalote é uma reserva de metal para compensar a contração do material líquido que vai se resfriando. Para compensar a contração da peça sólida, o molde é construído com sobremetal.
Vazamento no molde
Moldes prontos
1.3 Seleção do processo
O tipo de processo a usar deve ser escolhido adequadamente. Os mais importantes fatores a considerar são:
Quantidade de peças a produzir; Projeto da fundição; Tolerâncias requeridas; Grau de complexidade; Especificação do metal; Acabamento superficial desejado; Custo do ferramental; Comparativo econômico entre usinagem e fundição; Limites financeiros do custo de capital; Requisitos de entrega.
1.4 Características e defeitos dos produtos fundidos
As peças fundidas possuem algumas características inerentes a este processo, tais como: Sobremetal, que será desbastado na usinagem; Ausência de furos pequenos e detalhes complexos, pois dificultam o processo e podem ser realizados mais facilmente por usinagem; Cantos arredondados e paredes mais grossas, para evitar trincas e melhorar o preenchimento com metal líquido.
Os defeitos mais comuns das peças fundidas são:
Inclusão de material refratário do molde na peça, causando defeitos superficiais e problemas para usinagem (formam abrasivos para as ferramentas da usinagem); Heterogeneidade na composição da liga metálica, causando o aparecimento de partículas, segregações, etc.; Rechupe, que é a falta de material causado por projeto de massalote mal feito; Porosidade, originado nos gases não eliminados durante o processo de vazamento e solidificação, causando fragilidade e defeitos superficiais.
1.5 Exercícios
Depois disso, o metal é vazado e após a solidificação e o resfriamento, a peça é desmoldada, com o canal e o massalote retirados. Obtém-se, assim, a peça fundida que depois é limpa e rebarbada.
As vantagens do processo são: Tem o mais baixo custo dentre todos os métodos; Facilidade de reparo dos moldes; Equipamentos mais simples.
As desvantagens são: A areia natural é normalmente heterogênea, ou seja, sua composição varia para cada parte, influenciando na qualidade das peças; Acabamento superficial inferior;
Maior deformação do molde (erosão) com peças de maior tamanho.
2.2 Em casca (shell molding)
As desvantagens do processo em areia verde levaram os engenheiros a desenvolverem novos tipos de molde. E o uso das resinas foi um grande aperfeiçoamento na utilização de areia para a produção de moldes de fundição. A areia não precisa mais ser compactada porque o aglomerante, que é como uma espécie de cola, tem a função de manter juntos os grãos de areia. A cura (secagem) pode ser a quente ou a frio. A cura a frio é mais caro e utiliza substâncias ácidas e corrosivas como catalisadores da reação química, que exigem muito cuidado na manipulação porque são tóxicas. Por estas desvantagens é pouco utilizado. A cura a quente é chamada de “shell molding” (moldagem em casca). As resinas empregadas são normalmente do tipo poliéster, uréia formaldeído ou fenolformaldeído. A resina constitui-se de 3 a 10% do molde, sendo o restante constituído de areia-base, que deve ser isenta de argila ou impurezas e ser fina. Quanto mais fina a areia, maior será a permeabilidade da casca. A moldagem é realizada da seguinte maneira:
Por causa da característica do processo, a casca corresponde a uma metade do molde. Para obter o molde inteiro, é necessário colar duas metades e inserir os machos, se existentes. O vazamento é feito por gravidade.
As vantagens do processo são: Permite que moldes e machos sejam estocados para uso posterior; Bom acabamento superficial; Estabilidade dimensional do molde; Tolerâncias mais estreitas; Facilidade de liberação de gases durante a solidificação; Mecanizável e automatizável; Adequado para peças pequenas e de formatos mais complexos.
As desvantagens são: Custo mais elevado em relação à fundição em areia verde; Dimensões mais limitadas em relação à fundição em areia verde.
Vazamento em molde de casca
Molde para virabrequim fundido
2.3 Cera perdida (fundição de precisão)
Também chamada de fundição de precisão, produz peças com peso máximo de 5 kg, formato complexo, melhor acabamento superficial, tolerâncias menores e geralmente sem macho. São produzidas ligas de alumínio, de níquel, de magnésio, de cobre, de cobre-berílio, de bronze-silício, latão ao silício, ligas resistentes ao calor, além do aço comum e inoxidável. Este processo é bastante eficaz na produção de peças pequenas e aparentemente inviáveis por outros processos (pelo formato complexo e custo). Os modelos para a confecção dos moldes são produzidos em cera a partir do vazamento de cera líquida em uma matriz formada por uma cavidade com o formato e dimensões da peça desejada. O modelo de cera é mergulhado numa pasta ou lama refratária feita com sílica ou zircônia, na forma de areia muito fina, misturada com um aglomerante de água, silicato de sódio e/ou silicato de etila. Essa lama endurece em contato com o ar e, após endurecida, o molde é aquecido e o modelo derrete. Permanece só a casca, que recebe o metal líquido. Assim que a peça é solidificada, o molde é quebrado para retirada da peça. Portanto, tanto o molde quanto o modelo são inutilizados no processo.
Veja as etapas do processo abaixo:
Etapas do processo de fundição por cera perdida
Mergulho em lama refratária
A produção deve ser grande para compensar o custo do molde; Retenção de ar no interior da matriz, gerando peças incompletas e porosas.
Vazamento em molde permanente
Molde permanente de fechamento manual
Molde permanente de fechamento automático (hidráulico)
2.5 Injeção
A fundição em molde permanente pode ser feita também sob pressão (injeção). Consiste em forçar a penetração do metal líquido na cavidade do molde, também chamado de matriz. A pressão garante o preenchimento total da matriz. O processo é automatizado, garantindo fechamento, pressão do líquido, abertura e desmoldagem por pinos ejetores. Muitas matrizes são refrigeradas à água, evitando superaquecimento e elevando sua vida útil. São capazes de confeccionar entre 50 mil e 1 milhão de injeções. A unidade de fusão do metal pode estar junto da máquina de fundição por injeção ou não, dependendo da temperatura de fusão do material. No primeiro caso, o equipamento é chamado de máquina de câmara quente, e no segundo, de câmara fria. No equipamento de câmara quente, há um recipiente aquecido onde o metal líquido está depositado. Em seu interior, há um pistão hidráulico que força o metal líquido para dentro da matriz. Após a solidificação o pistão volta à posição inicial, a matriz se abre, e a peça é ejetada, iniciando um novo ciclo.
2.6 Comparação entre processos
Resumo das características dos principais processos de fundição, incluindo os grupos: fundição em areia verde, shell molding, cera perdida, molde permanente por gravidade e injeção.
Areia Verde
Shell Molding
Cera perdida
Molde permanente Injeção Tolerância dimensional
±1,2 mm ±3,8 mm
±0,25 mm ±5 mm
±0,02 mm ±3,8 mm
±2,5 mm ±7,5 mm
±2,5 mm ±12,5 mm Custo relativo (grande quantidade) Baixo^
Médio alto Mais alto Baixo Mais baixo Custo relativo (pequena quantidade)
Mais baixo
Médio alto Médio Alto Mais alto
Peso fundido Ilimitado 250lb 100lb 100lb 75lb Espessura mínima (^) 2,5 mm 2,5 mm 1,6 mm 3,2 mm 0,8 mm Acabamento superficial relativo
Razoável bom Bom Bom Bom Melhor
Facilidade de fundição de peça complexa Razoável^ Bom^ Melhor^ Razoável^ Bom Facilidade de alteração de projeto Melhor^ Razoável^ Razoável^ Ruim^ Pior
Ligas que podem ser fundidas Ilimitada^ Ilimitada^ Ilimitada
Melhor base Al e Cu
Melhor base Al
2.7 Automatização dos processos
A automatização dos processos proporciona flexibilidade à empresa, o que garante que o processo seja mais rapidamente alterado para garantir a adaptação às mudanças no mercado consumidor. Portanto, quanto mais automatizado é o processo de fundição, mais rápida será a inserção dos produtos no mercado, o que significa que a empresa venderá mais e terá uma imagem de competência no mercado frente às concorrentes. A automatização começa pelo modelo, cujo projeto é feito em programas CAD (Desenho Auxiliado por Computador). Também são utilizados softwares que simulam o resfriamento dentro do molde, de uma determinada peça, permitindo através da diferenciação de cores, determinar-se a melhor localização dos canais de alimentação, massalotes, etc. Dessa forma podemos otimizar o projeto do sistema de alimentação, garantido menor gasto de metal e ótima qualidade para a peça.
A construção do modelo, que convencionalmente se confecciona manualmente, passa a ser feito em centros de usinagem por comando numérico, que garante maior precisão dimensional, rapidez, facilidade de alteração de projeto e formas mais complexas. Na confecção dos modelos, até processos mais difíceis para serem automatizados, como o de areia verde, tem sido atualizados. Existem máquinas que recebem as caixas, preenchem com areia, compactam, posicionam o macho, confeccionam os canais, e fecham a caixa. Ou seja, todo o processo que seria manualmente confeccionado pode ser realizado pela máquina, garantindo maior agilidade. Na etapa de vazamento, é cada vez mais comum a utilização de braços mecânicos (hidráulicos), que trazem mais vantagens do que simplesmente a rapidez no processo: a segurança ocupacional dos trabalhadores. Dessa forma, evita-se a exposição de funcionários ao calor, repetição monótona da operação, contato com gases tóxicos, etc. Enfim, a automatização dos processos de fundição tem sido quesito para sobrevivência de uma indústria. Aquelas que não forem se adequando estão se tornando cada vez mais obsoletas e perdem rapidamente o mercado. Para um exemplo de sucesso citamos o exemplo da Fundição Tupy, de Joinville. Fundada em 1938, produz atualmente meio milhão de tonelada anual em peças de ferro fundido, empregando mais de 8.000 colaboradores e exportando metade de sua produção para países como Estados Unidos, Alemanha, Inglaterra, Itália, Japão e outros. Um dos segredos de seu sucesso é justamente a automatização. Foi a Tupy, que em 1975 introduziu no Brasil o processo de fundição contínua, uma espécie de produção em linha que consiste em fundir, moldar e conformar o produto final em uma linha de operações, eliminando tempos intermediários e garantindo controle rigoroso da qualidade do produto. Foram ações corajosas como esta que tornaram a Tupy uma das líderes mundial no segmento.
2.8 Exercícios
